晶界特征分布对1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢绝热剪切带自组织的影响

第38卷第4期矿冶工程V〇l.3SA4 2018 年08月M IN IN G A N D M E T A L L U R G IC A L E N G IN E E R IN G A u g u s t2018晶界特征分布对1C r18N i9T i奥氏体不锈钢绝热剪切带自组织的影响①杨扬，王君良(中南大学材料科学与工程学院，湖南长沙410083)摘要：通过形变热处理工艺优化不锈钢的晶界特征分布，并采用厚壁圆筒外爆压缩加载实验对形变热处理前后的试样进行动态 加载，研究了晶界特征分布对1Cr18Ni9T i奥氏体不锈钢绝热剪切带自组织的影响。

结果表明，形变热处理工艺优化了不锈钢的晶 界特征分布，特殊晶界比例尤其是E3晶界比例分别从27.8%，18.9%提高到72.5%，55.8%，一■般大角度晶界被小角度晶界和特殊晶粒团簇取代或阻断。

加载后两种状态试样的剪切带的数量和间距差别较小，但是固溶试样剪切带的平均扩展速率为446 m/s，最长剪切带长度为2.33mm，而形变热处理试样分别为338 m/s和1.75mm。

晶界特征分布优化对剪切带的形核影响较小，但是由于特 殊晶界比例的提高，明显阻碍了绝热剪切带的扩展，提高了高速变形条件下的抗损伤能力。

关键词：动态变形；晶界特征分布；绝热剪切带；自组织行为；厚壁圆筒外爆压缩实验；奥氏体不锈钢中图分类号：TG146.21 文献标识码：A doi:10.3969/j.issn.0253-6099.2018.04.033文章编号：0253-6099(2018)04-0130-04Effect of Grain Boundary Character Distribution on the Self-organization of Adiabatic Shear Bands in 1Cr18Ni9Ti Austenitic Stainless SteelYANG Yang,WANG Jun-liang(School of Materials Science and Engineering，Central South University，Changsha410083，Hunan，China) Abstract：The grain boundary character distribution (GBCD)ol 1Cr18Ni9Ti austenitic stainless steel was optimized by thermo-mechanical treatment.The effect ol GBCD on the sell-organization ol adiabatic shear bands in the steel was investigated by means ol compression loading test ol thick-walled cylinder.Results showed that the thermo-mechanical treatment optimized the GBCD of the stainless steel.The special grain boundary ratio，especially the X3 grain boundary ratio，was increased lrom27.8%/18.9% to72.5%/55.8%，respectively.The high angle grain boundaries were replaced or interrupted by the low angle grain boundary and special grain boundary clusters.Alter loading，the dillerence in the number or spacing ol the shear bands ol the specimen with di££erent treatment method was small.However，the average propagation rate and the maximum length ol adiabatic shear bands in solution treatment specimen were446 m/s and2.33 mm，respectively，while those in thermo-mechanical treatment specimen were 338 m/s and 1.75 mm，respectively.It is shown that the GBCD optimization hadnrt brought obvious ellect on the nucleation ol adiabatic shear bands，but hindered the propagation ol adiabatic shear bands and improved damage resistance under high-strain-rate loading due to the increased proportion ol special grain boundary.Key words ：dynamic delormation；grain boundary character distribution；adiabatic shear band;sell-organization; compression loading test ol thick-walled cylinder;austenitic stainless steel1Cr18Ni9T i奥氏体不锈钢是常用的不锈钢之一，它在304不锈钢的基础上加人了金属钛，使其具有更 好的耐晶界腐蚀性及高温强度，因而在航空航天领域 获得大量应用[1]。

绝热剪切是材料在高速变形条件下一■种常见的破坏机制，常存在于动态高速撞击、侵 彻、切削、高速成型、爆炸复合等高应变速率变形[2-5]中，而剪切带是微裂纹优先形核的区域,研究多条剪切 带的分布、间距等自组织行为对研究材料在动态变形①收稿日期：2018-0卜23基金项目：国家自然科学基金（51274245,51574290);NSAF联合基金（L1330126);非线性力学国家重点实验室开放基金作者简介：杨扬（1963-),男，湖南常德人，博士，博士研究生导师，主要研究方向为材料动态变形。

通讯作者：王君良（1993-),男，湖南娄底人，硕士研究生，主要研究方向为材料动态变形。

第4期杨扬等：晶界特征分布对lCrl8Ni9Ti奥氏体不锈钢绝热剪切带自组织的影响131下的损伤失效有重要意义。

厚壁圆筒外爆压缩加载实验由〜68161^^0[6]提 出，许多研究者利用此试验手段成功获取了多条剪切 带。

晶界设计[7]就是对中低层错能的FC C金属通过 形变热处理工艺，控制金属的晶界特征分布，改善与晶 界相关的性能。

晶界工程已经在奥氏体不锈钢中得到 成功应用。

但是晶界特征分布对剪切带自组织的影响 鲜有研究。

本文利用厚壁圆筒外爆压缩加载实验技术 在1Cr18N i9T i奥氏体不锈钢圆筒试样成功获得多条 剪切带，探究了晶界特征分布对剪切带自组织的影响。

1实验实验用材料为1Cr18N i9T i奥氏体不锈钢板材，其成 分如表1所示。

将实验材料先进行固溶处理（1050 °C，50 m in，水淬）以获得均匀的奥氏体组织，得到固溶处理 样。

随后选取如下的形变热处理工艺:固溶处理样进行 小变形(总形变量5%)冷轧后，在947 C的氢气气氛钼 丝炉中退火72 h后水淬得到形变热处理样;将固溶处 理样和形变热处理样去除表面应力层，制备EBSD试 样。

电解拋光液为：10%H C l〇4 + 90%CH3COOH，拋 光电压为直流25 V，时间约20 s。

利用配有TSL-EBSD 系统的FEI Sirion-200场发射扫描电镜对电解拋光后 的样品表面进行扫描。

加速电压25 k V，扫描步长 2 pm。

在二维重构条件下，按长度百分数计算各类晶 界的比例，采用Bmndon标准[8]判定晶界类型。

表11Cr18Ni9T i奥氏体不锈钢化学成分（质量分数)/%C S i M n P S彡0.12砭1.00砭2.00彡0.035砭0.030N i C r M o其他8.00-11.0017.00-19.00—Ti5*(C%-0.02)-0.80采用厚壁圆筒外爆加载实验对1Cr18Ni9T i奥氏体 不锈钢进行动态加载，实验装置如图1所示。

加载试样 是由三层圆管组合形成的一个三明治结构，将不锈钢管 夹在两层紫铜管之间，管与管之间用环氧树脂填充粘 合。

不锈钢管内径16 mm，外径26 mm，壁厚5mm，管高 76mm。

内外铜管由塑性较好的紫铜加工而成，并且 预先在氢气保护气氛下进行了软化退火处理（300 C，30 m in)，内外铜管内径分别为14 m m和26 mm，壁厚 均为1mm，试样周围均匀填满了粉状铵油炸药，炸药 密度0.7 g/cm3，爆速3 300 m/s，装药厚度79.6 mm。

炸药由上端引爆，驱动试样向内压缩坍塌，坍塌试样沿 垂直轴向方向取样。

引爆点固溶处理试样、形变热处理试样及冲击加载后的 所有试样经腐蚀拋光后，在POLYVAR-M ET金相显微 镜下观察金相组织。

2结果与讨论2.1晶界特征分布优化图2是固溶处理试样和形变热处理试样相应的 O IM重构图。

固溶处理试样经过形变热处理后，一般大 角度晶界的数量明显减少，大量的大角度晶界被低S晶界等特殊晶界所取代。

同时，Z9和Z27晶界数量明显 增加。

这是由于经过小变形（5%)后，变形储能显著升 高，而1Cr18N i9T i奥氏体不锈钢的层错能较低，在退火 过程中难以发生交滑移和回复的形式降低变形能，因而 退火过程中易于发生局部再结晶，首先产生了以特殊晶 界等低能量晶界为主的小晶粒群，晶界迁移的过程不断 产生退火孪晶，再加上部分Z3晶界相互作用形成S9 和S27多重退火孪晶，充分发展成特殊晶粒团簇，取代 了原有的能量较高的大角度自由晶界，从而使得特殊晶 界比例增加，而且导致一般大角度晶界网络连通性被阻 断，实现了晶界特征分布的优化。

X I 一S3一S9S27一S大角度晶界图2 OIM重构图(a)固溶处理试样；（b)形变热处理试样图3为固溶处理试样与形变热处理试样的各类晶132矿冶工程第38卷界比例图。